사출성형기 실린더와 금형 캐비티의 실시간 모니터링을 이용한 사출성형공정 비교 분석 Comparative Analysis of Injection Molding Process by On-line Monitoring in Cylinder of Injection Molding Machine and in Cavity of Mold원문보기
최근 고품질 제품 생산을 위한 방법으로 센서를 이용한 사출공정모니터링 시스템이 적용되고 있다. 그러나 마이크로 금형, 광학용 금형 및 구조가 복잡한 금형에는 센서 설치가 어렵기 때문에, 공정 모니터링 시스템이 적용되기 어려운 단점이 있다. 본 연구에서는 금형과 사출성형기노즐의 압력 을 측정하여 공정 모니터링 데이터의 정량적 지수를 정의하고, 성형품 중량에 대한 상관분석을 수행하여 노즐에 설치된 압력센서의 공정모니터링 적용성을 알아보았다. 또한 공정모니터링 데이터를 분석하여 다단사출속도, 보압 및 제한 사출 압력의 영향에 따른 사출성형기의 공정 제어 특성도 알아보았다.
최근 고품질 제품 생산을 위한 방법으로 센서를 이용한 사출공정모니터링 시스템이 적용되고 있다. 그러나 마이크로 금형, 광학용 금형 및 구조가 복잡한 금형에는 센서 설치가 어렵기 때문에, 공정 모니터링 시스템이 적용되기 어려운 단점이 있다. 본 연구에서는 금형과 사출성형기 노즐의 압력 을 측정하여 공정 모니터링 데이터의 정량적 지수를 정의하고, 성형품 중량에 대한 상관분석을 수행하여 노즐에 설치된 압력센서의 공정모니터링 적용성을 알아보았다. 또한 공정모니터링 데이터를 분석하여 다단사출속도, 보압 및 제한 사출 압력의 영향에 따른 사출성형기의 공정 제어 특성도 알아보았다.
Recently, on-line process monitoring systems using sensors are being extensively used to produce highquality products. However, the difficulty in installing the sensors within the mold in the cases of micro-molds, optical molds, and molds with complex structures is a serious disadvantage of such pro...
Recently, on-line process monitoring systems using sensors are being extensively used to produce highquality products. However, the difficulty in installing the sensors within the mold in the cases of micro-molds, optical molds, and molds with complex structures is a serious disadvantage of such process monitoring systems. In this study, the quantitative index of a process monitoring system was evaluated with the mold cavity pressure and the nozzle pressure for the injection molding machine. In order to evaluate the effect of the nozzle pressure, we performed correlation analysis for the weight of the molded product. We also examined the control characteristics of the injection molding machine by analyzing the effect of multistage injection speed, holding pressure, and injection pressure limit on the process monitoring data.
Recently, on-line process monitoring systems using sensors are being extensively used to produce highquality products. However, the difficulty in installing the sensors within the mold in the cases of micro-molds, optical molds, and molds with complex structures is a serious disadvantage of such process monitoring systems. In this study, the quantitative index of a process monitoring system was evaluated with the mold cavity pressure and the nozzle pressure for the injection molding machine. In order to evaluate the effect of the nozzle pressure, we performed correlation analysis for the weight of the molded product. We also examined the control characteristics of the injection molding machine by analyzing the effect of multistage injection speed, holding pressure, and injection pressure limit on the process monitoring data.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 캐비티와 사출성형기 노즐에 압력센서를 설치하여 사출속도(Injection Speed)와 보압(Holding Pressure)에 따른 캐비티와 노즐의 압력을 측정하여 정량적 지수를 정의하고, 이 지수와 성형품 중량에 대한 상관분석을 통하여 공정관리에 대한 적용성을 알아보았다. 또한 다단사출성형, 보압 및 제한 사출압력의 영향에 따른 사출속도, 캐비티 및 노즐 압력 데이터를 분석하여 사출성형기의 공정 제어 특성에 대해서 알아보았다.
그러나 현재 대부분의 성형기술자들은 사출압력의 기능을 성형 제어인자로 오인하고 있는 실정이다. 따라서 사출압력 설정에 따른 성형특성에 대해서 알아보았다.
본 연구에서는 사출성형기의 노즐, 스크류 속도와 캐비티 압력 데이터의 공정 모니터링을 통하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
제안 방법
캐비티 압력에 대해서는 최대 압력값(CPK), 최대 압력값까지의 적분값(CPIK), 전체 압력 적분값(CPIC)의 지수를 정의하였다. 노즐 압력의 경우는 수지가 노즐을 통과하는 시점에 1 차최대 압력값이 발생되며, 이는 사출성형기 노즐 선단부에서의 수지 압축 현상에 의해서 발생되는 압력이기 때문에, 노즐 압력의 최대 압력값(NPK)과 최대 압력값까지의 적분값(NPIK)은 보압절환 전에 발생되는 최대 압력을 기준하여 지수를 정의하도록 하였다.
따라서 본 연구에서는 캐비티와 사출성형기 노즐에 압력센서를 설치하여 사출속도(Injection Speed)와 보압(Holding Pressure)에 따른 캐비티와 노즐의 압력을 측정하여 정량적 지수를 정의하고, 이 지수와 성형품 중량에 대한 상관분석을 통하여 공정관리에 대한 적용성을 알아보았다. 또한 다단사출성형, 보압 및 제한 사출압력의 영향에 따른 사출속도, 캐비티 및 노즐 압력 데이터를 분석하여 사출성형기의 공정 제어 특성에 대해서 알아보았다.
직교배열표를 이용한 다구찌 실험을 진행하였다. 사출성형기의 노즐부와 금형에서 측정되는 압력에 대한 효과적인 비교 분석을 위해 사출속도와 보압을 제어인자로 선택하였다. 그 이외 조건인 수지온도(220℃), 금형온도(70℃) 및 보압시간(5sec)은 모두 동일하게 적용하였다.
사출속도와 보압이 성형품 중량에 미치는 영향을 알아보기 위해서 다구찌 분석을 수행하였으며, 실험결과에 대한 S/N 비 분석을 수행하였다. Table 2 에 보듯이, 보압이 중량에 대한 기여도가 더 큰 영향인자임을 확인할 수 있다.
제품은 사각 BOX 형상(크기 : 70mm * 50mm * 20mm)이며, 재료는 LG Chemical 의 ABS(Grade : HF 380)를 사용하였다. 성형 압력 측정을 위해서 캐비티와 사출성형기 노즐부에 Kistler 사의 압력 센서(모델명: 6157BA, 4085A)를 설치하였으며, 사출성형기에 기본적으로 장착된 변위센서(Potentiometer)를 이용하여 사출속도를 측정하였다.
그 이외 조건인 수지온도(220℃), 금형온도(70℃) 및 보압시간(5sec)은 모두 동일하게 적용하였다. 실험 중에 발생되는 오차를 제거하기 위해 모든 공정조건에 동일하게 충전율 98%에서 보압절환(Switch-Over)이 이루어지도록 매 실험마다 조건을 설정하였다. Fig.
실험은 사출속도와 보압에 대해서 3 수준의 L9 직교배열표를 이용한 다구찌 실험을 진행하였다. 사출성형기의 노즐부와 금형에서 측정되는 압력에 대한 효과적인 비교 분석을 위해 사출속도와 보압을 제어인자로 선택하였다.
대상 데이터
실험에는 Arburg 사의 25Ton 유압식 사출성형기(최대 사출압력 : 1570bar)를 사용하였다. 제품은 사각 BOX 형상(크기 : 70mm * 50mm * 20mm)이며, 재료는 LG Chemical 의 ABS(Grade : HF 380)를 사용하였다.
실험에는 Arburg 사의 25Ton 유압식 사출성형기(최대 사출압력 : 1570bar)를 사용하였다. 제품은 사각 BOX 형상(크기 : 70mm * 50mm * 20mm)이며, 재료는 LG Chemical 의 ABS(Grade : HF 380)를 사용하였다. 성형 압력 측정을 위해서 캐비티와 사출성형기 노즐부에 Kistler 사의 압력 센서(모델명: 6157BA, 4085A)를 설치하였으며, 사출성형기에 기본적으로 장착된 변위센서(Potentiometer)를 이용하여 사출속도를 측정하였다.
데이터처리
실험계획법에 따라 성형된 성형품의 중량과 공정모니터링 데이터를 각 조건별로 상관분석을 하였으며, 계산된 상관계수를 Table 3 에 나타내었다. 캐비티 압력 공정 지수인 CPK, CPIK, CPIC 모두 중량과 높은 상관도를 보였으며, 이를 통하여 캐비티 압력이 성형품 중량과 밀접한 관계가 있음을 확인 할 수 있었다.
성능/효과
(1) 보압이 사출속도보다 성형품 중량 변화에 큰 영향을 미치며, 측정된 압력 데이터와의 상관분석을 통하여 캐비티 압력 특성치의 상관도가 높게 나타남을 알 수 있었다.
(2) 캐비티 압력 데이터에 비해서 상대적으로 상관도는 낮지만, 노즐 압력 데이터의 NPIC 가 제품 중량과의 상관관계가 높은 것으로 나타났다. 공정 및 금형 관리 측면에서 노즐 압력데이터의 활용이 효과적이기 때문에 향후 이에 대한 연구가 필요한 것으로 판단된다.
(3) 캐비티 내부의 압력 변화를 노즐 압력과 측정된 사출속도로 분석할 수 있었으며, 공정 입력값이 실제 제어값과 차이가 있음을 알 수 있었으며, 본 실험 결과가 최적 사출성형조건 도출에 도움을 줄 것으로 판단된다.
따라서 Fig. 5(a)의 최대 사출압력을 기준하여 625bar 의 보압이 적정한 것으로 판단하였으며, 양호한 성형품을 얻을 수 있었다.
그러나 Fig. 6(b)와 같이 사출압력을 최대 사출압력 보다 낮은 700bar 로 설정한 경우, 초기에는 설정된 사출속도로 충전이 진행되지만, 최대 사출압력이 700bar 를 초과한 이후에는 사출속도 제어가 이뤄지지 못하고 압력에 의해서 제어됨을 확인 할 수 있다. 이를 통하여 사출압력이 제한 압력의 기능으로 사용됨을 알 수 있었다.
이는 앞서 기술한 수지의 압축 현상과 노즐부를 통과하며 발생되는 순간적인 속도증가로 발생된 현상이다. 2 차 사출속도로 변화될 때는, 설정된 속도로 제어되기 위해서 사출속도가 증가되는 것을 볼 수 있으며(IIa), 설정된 사출속도에 도달하는데 약 0.1 초의응답시간이 소요됨을 확인할 수 있다. 3 차 사출속도로 변화될 때는 설정된 사출속도 변화점에서의 제어가 되지 않음을 볼 수 있으며, 2 차 사출속도와 동일한 현상이 발생됨을 알 수 있다.
캐비티 압력 공정 지수인 CPK, CPIK, CPIC 모두 중량과 높은 상관도를 보였으며, 이를 통하여 캐비티 압력이 성형품 중량과 밀접한 관계가 있음을 확인 할 수 있었다. 노즐 압력 공정 지수 중 NPIC가 중량과 상관도가 높은 것으로 나타났으나, 캐비티 압력의 상관도 보다는 낮은 결과를 보였다. 이러한 이유는 캐비티 압력은 제품 형성부에서 측정하기 때문에 성형 외란인자에 대한 영향이 적은 반면에, 노즐 압력은 사출성형기에서 발생되는 공정 변동 영향과 스프루, 러너, 게이트에서 발생되는 압력손실, 그리고 게이트 고화 이후에 발생되는 스프루, 러너의 과충전 등의 외란 인자가 영향을 미쳐 상관도가 작게 나타난 것으로 판단된다.
이는 냉각에 의한 성형품의 체적 수축을 보상하지 못하였음을 의미하며, 이때 성형품 표면에 싱크마크가 발생되었다. 보압이 800bar 로 높은 경우는, 성형품 파팅 라인에 미세 버(Burr)가 발생됨을 확인하였다. 이는 높은 압력으로 인한 금형 변형을 의미한다.
실험계획법에 따라 성형된 성형품의 중량과 공정모니터링 데이터를 각 조건별로 상관분석을 하였으며, 계산된 상관계수를 Table 3 에 나타내었다. 캐비티 압력 공정 지수인 CPK, CPIK, CPIC 모두 중량과 높은 상관도를 보였으며, 이를 통하여 캐비티 압력이 성형품 중량과 밀접한 관계가 있음을 확인 할 수 있었다. 노즐 압력 공정 지수 중 NPIC가 중량과 상관도가 높은 것으로 나타났으나, 캐비티 압력의 상관도 보다는 낮은 결과를 보였다.
후속연구
(2) 캐비티 압력 데이터에 비해서 상대적으로 상관도는 낮지만, 노즐 압력 데이터의 NPIC 가 제품 중량과의 상관관계가 높은 것으로 나타났다. 공정 및 금형 관리 측면에서 노즐 압력데이터의 활용이 효과적이기 때문에 향후 이에 대한 연구가 필요한 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
센서를 이용한 사출공정 모니터링 시스템의 단점은 무엇인가
최근 고품질 제품 생산을 위한 방법으로 센서를 이용한 사출공정모니터링 시스템이 적용되고 있다. 그러나 마이크로 금형, 광학용 금형 및 구조가 복잡한 금형에는 센서 설치가 어렵기 때문에, 공정 모니터링 시스템이 적용되기 어려운 단점이 있다. 본 연구에서는 금형과 사출성형기 노즐의 압력 을 측정하여 공정 모니터링 데이터의 정량적 지수를 정의하고, 성형품 중량에 대한 상관분석을 수행하여 노즐에 설치된 압력센서의 공정모니터링 적용성을 알아보았다.
양품의 성형품을 생산하기 위한 성형조건을 시험사출을 통한 반복적인 시행착오 방식으로 찾아 내고 있는 이유는 무엇인가.
일반적으로 사출성형공정 중에는 용융수지가 금형 캐비티를 채우는 과정을 확인할 수 없으며, 설정된 계수값대로 공정이 이뤄지는지를 확인하기 어렵다. 따라서 양품의 성형품을 생산하기 위한 성형조건은, 시험사출을 통한 반복적인 시행착오 방식으로 찾아 내고 있으며, 특히 제품 생산 중에 불량품이 발생되면 트러블슈팅(Troubleshooting)에 많은 시간과 비용이 수반된다.
공정모니터링기술이란 무엇인가
따라서 양품의 성형품을 생산하기 위한 성형조건은, 시험사출을 통한 반복적인 시행착오 방식으로 찾아 내고 있으며, 특히 제품 생산 중에 불량품이 발생되면 트러블슈팅(Troubleshooting)에 많은 시간과 비용이 수반된다. 최근 산업계에서는 원가절감 및 불량개선을 위한 기술로서, 금형 내부에 압력 센서를 설치하여 생산공정 이력을 감시하고 정보화하는 기술인 공정모니터링기술(Process Monitoring Technology)이 사용되고 있다. 이 기술은 금형 내부의 압력을 측정하여 사출성형품의 품질을 분석하고, 이를 정량적인 지수로 나타내어 공정관리의 효율성을 증대 시키고, 최적성형조건 탐색 및 불량 원인 분석에도 활용되고 있다.
참고문헌 (6)
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Michael, R. and Rodney, J., 2002, “Comparing Cavity Pressure Sensor Technologies Using In-Mold Data,” ANTEC 2002.
Stephan, O., Alexandre, P. and Christopher, J. B., 1998, “A Prcesss Monitoring and Control System for Injection Molding Using Nozzle-Based Pressure and Temperature,” Polymer Engineering and Science, Vol. 2, No. 3, pp.141-148.
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